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SnO_2气敏材料及元件的制备和敏感性能研究

作　者: 洪琴
导　师: 傅刚
学　校: 广州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: SnO2 气敏溶胶-凝胶磁控溅射等离子体处理复阻抗
分类号: TB381
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

二氧化锡（SnO₂）作为一种重要的气敏材料已获得广泛应用,但目前仍是气敏材料的研究热点。这是因为二氧化锡具有灵敏度高、廉价易得、高温性能稳定等难以替代的优点,但在选择性、可靠性和降低工作温度等方面仍有很大的改善空间;另一方面,由于气体的种类繁多,如何针对待测气体通过掺杂的方法,研究出高灵敏度高选择性的SnO₂气敏材料和元件,仍是一项很有难度的工作。本文运用溶胶凝胶方法和反应磁控溅射方法分别制备出不同掺杂的纳米粉体和气敏薄膜,采用SEM、XRD、复阻抗谱和灵敏度标定等方法研究了SnO₂气敏材料的微结构、电学性质和气敏性能。最后,利用等离子体处理方法对薄膜元件进行表面修饰。具体工作如下:1.通过溶胶凝胶方法制备出纯SnO₂和掺杂Au、W和La的SnO₂纳米气敏粉体,采用丝网印刷技术制备了平面厚膜型气敏元件。研究了未掺杂和掺杂Au、W和La的SnO₂纳米粉体对乙醇、甲苯、甲醛和氨气的灵敏度。0.5at%Au掺杂使灵敏度有所改善,2at%Au掺杂对甲苯有最好的气敏性能。电学性能分析说明,元件对甲苯气氛的灵敏度来源于气氛作用下晶界电阻和晶界电容的变化,灵敏度提高与Au掺杂有效地改善了界面的氧吸附效应有关。2.通过反应磁控溅射法制备了纯SnO₂和Au掺杂SnO₂气敏薄膜。通过Au掺杂和改变制备工艺参数如调整溅射气氛的氧氩体积比以及溅射时间等,制备出对乙醇、甲醛和甲苯有很高灵敏度的SnO₂基气敏薄膜。研究发现,在材料组分和热处理温度等都相同的条件下,仅仅是调整溅射气氛的氧氩体积比,就可以获得分别对不同气体敏感的薄膜,而且灵敏度差异很大。说明薄膜中氧空位数量和晶粒晶界等微结构对选择性有很大影响。3.采用离子溅射台对SnO₂薄膜进行等离子体处理,目前这方面的研究报导很少。在真空状态下,通过两电极之间的直流电压使气体分子电离并且产生辉光放电,试样薄膜被处理5min。结果表明,采用等离子体处理方法可以显著提高SnO₂薄膜的气体灵敏度。4.利用复阻抗谱分析薄膜的等效电路,考察其导电机制。运用Maxwell-Wagner two-layer等效电路模型绘出晶界电导率的Arrhenius曲线。另一方面,通过薄膜在接触待测气体前后的电抗值之比来标定薄膜的气体灵敏度,与传统的直流电阻标定方法相比,灵敏度得到较大提高;这种方法是利用了电抗峰峰高降低和电抗峰向高频方向移动的两种作用迭加的结果,不仅反映了材料敏感层中晶粒间界处晶界电阻的变化,也反映了晶界电容的变化。

SnO_2气敏材料及元件的制备和敏感性能研究

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